骨缺损修复是临床面临的重大挑战，传统治疗方法存在供体有限、免疫排斥等局限。骨组织工程通过构建生物活性支架为骨再生提供了新策略。氧化锆（ZrO2）因其优良的生物相容性和机械强度被视为有潜力的支架材料，但其固有生物惰性和制备过程中易产生微裂纹的问题严重制约了临床应用。另一方面，氧化石墨烯（GO）以其丰富的含氧官能团和卓越的力学性能在组织工程领域展现出巨大潜力。然而，以往研究多将GO与机械强度较低的材料（如水凝胶、壳聚糖等）复合，或将GO涂层应用于二维或结构简单的支架，在复杂三维多孔支架上构建GO涂层以同时提升力学和生物学性能的研究仍较缺乏。
为解决上述问题，研究团队创新性地采用硅烷介导的浸涂策略，将GO均匀涂覆到二维玻璃基底和三维多孔ZrO2支架上，成功制备了新型三维多孔GO-ZrO2复合支架。该研究旨在全面评估GO-ZrO2复合支架的理化性质、力学性能及其在体外和体内对骨再生的促进作用，相关工作发表在《Materials Today Bio》上。
研究团队采用改良Hummers法合成了GO，并通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对GO及复合支架进行了系统表征。体外实验利用人牙髓干细胞（hDPSCs）评估了材料的细胞相容性和成骨分化能力，并通过大鼠颅骨临界尺寸缺损模型验证了其体内骨再生性能。
研究结果证实，GO成功通过共价键合（C-O-Si和Si-O-Zr）均匀涂覆在ZrO2支架表面及内部孔隙结构上，有效桥接了微裂纹并抑制其扩展。与未涂覆的ZrO2支架相比，GO-ZrO2支架的抗压强度和弹性模量显著提升，降解速率极低（3周后重量损失仅0.54%），且降解过程中pH值稳定，结构保持完好。体外细胞实验表明，GO涂层显著促进了hDPSCs的黏附、增殖和成骨分化，表现为细胞骨架铺展更佳、增殖速率更快、碱性磷酸酶（ALP）活性升高、钙结节沉积增多以及成骨相关基因（COL1A1、RUNX2、OPN）和蛋白表达上调。大鼠体内实验进一步证明，植入GO-ZrO2支架8周后，缺损区域有新骨大量形成，骨体积分数（BV/TV）和骨小梁数量（Tb.N）显著高于未涂覆组，而骨小梁分离度（Tb.Sp）显著降低，表明GO-ZrO2支架能有效促进骨缺损修复。
3.1. 二维GO-玻璃基底的制备与表征
研究人员成功合成了单层GO薄片，其表面光滑，带有轻微褶皱和卷曲边缘。FT-IR和XPS分析证实GO含有丰富的含氧官能团（如-OH、-COOH）。通过硅烷化处理和在GO溶液中浸涂，在玻璃基底上实现了GO的均匀、牢固涂覆。接触角测试显示GO涂层使表面亲水性显著增强。
3.2. 二维GO-玻璃基底增强hDPSCs的黏附、增殖和成骨分化
细胞形态学观察发现，在GO涂层的玻璃上，hDPSCs展现出更伸展的纺锤形形态，具有明显的丝状伪足和细胞突起。细胞增殖实验表明，GO涂层能促进hDPSCs的增殖。成骨诱导后，GO组细胞的骨钙素（OCN）表达、ALP活性和矿物质沉积（通过ARS染色定量）均显著高于未涂层组，证实GO能有效促进hDPSCs的成骨分化。
3.3. 三维GO-ZrO2支架的制备与表征
采用与二维基底类似的策略，成功将GO涂覆到三维多孔ZrO2支架上。表征结果显示GO均匀覆盖支架表面及内部孔隙，支架的密度、孔隙率和孔径在涂覆前后无显著变化，但力学性能显著增强。GO与支架通过共价键牢固结合，支架在PBS中降解缓慢且pH稳定，表明其具有良好的结构稳定性和生物相容性。
3.4. 三维GO-ZrO2支架增强hDPSCs的细胞黏附、增殖和成骨能力
SEM和细胞黏附效率检测表明，hDPSCs在GO-ZrO2支架上的黏附更佳，细胞能更深入地浸润到支架内部。细胞在GO-ZrO2支架上增殖更快，活力更高。成骨诱导后，GO-ZrO2组细胞的ALP活性、矿物质结节形成（ARS染色）以及成骨相关基因（COL1A1、RUNX2、OPN）和蛋白的表达水平均显著高于对照组。SEM-EDS分析进一步证实GO-ZrO2支架上形成的钙化结节具有更高的Ca/P原子比（1.21±0.03），更接近天然骨矿物成分。
3.5. 三维GO-ZrO2支架的体内生物相容性与骨再生性能
将负载hDPSCs的支架植入大鼠颅骨缺损处。主要器官H&E染色未发现毒性反应，证明材料具有良好的体内生物安全性。Micro-CT和组织学分析（H&E、Masson-Goldner三色、VG染色）显示，植入GO-ZrO2支架的缺损区域在8周时有新骨大量形成，新骨与支架整合紧密，骨再生效果显著优于未涂覆的ZrO2支架组和空白对照组。
本研究成功制备了一种新型的GO-ZrO2复合骨组织工程支架。GO涂层通过共价键合牢固附着于ZrO2支架，不仅有效改善了支架的力学性能（抗压强度、弹性模量），弥补了其易产生微裂纹的不足，更重要的是显著增强了支架的生物活性。GO通过其丰富的含氧官能团、独特的纳米拓扑结构和优异的蛋白吸附能力，为细胞提供了更适宜的微环境，从而显著促进了干细胞（hDPSCs）的黏附、增殖以及向成骨细胞的分化。体内实验进一步证实，该复合支架能有效引导和促进临界尺寸骨缺损的修复再生。该研究为解决生物惰性陶瓷材料在骨修复应用中面临的挑战提供了创新性策略，所开发的GO-ZrO2复合支架在骨组织工程领域，尤其是承重骨缺损修复方面，展现出巨大的应用潜力。研究的成功也为将二维纳米材料功能化涂层策略应用于其他三维生物材料以提升其综合性能提供了重要借鉴。
